JP5807858B2 - 有機薄膜トランジスタ用膜形成用組成物 - Google Patents
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しかし、これらのシリコン系材料に代表される無機半導体を薄膜トランジスタの材料として用いる場合は、薄膜製造時に高温処理が必要となることが多く、プラスチック製の基板を用いることができないという欠点があった。また、真空プロセスを用いるため、高価な設備を必要とする結果、高コストになるという欠点があった。
半導体材料として有機半導体材料を用いることで、塗布方式による製膜が可能となり、大面積化が安価にかつ容易に行える。また、プラスチックフィルム上へのデバイスの作製が可能となり、フレキシブル化を達成し得る。このフレキシブル化によって、電子ペーパーを実現することができ、例えば、新聞をフレキシブルディスプレイの形態とすることで、紙の使用量を大幅に削減できるため環境負荷の大幅な軽減へとつながる。
最近、ジメチルジシアノキノンジイミン(DM−DCNQI)を半導体材料として用いた薄膜トランジスタの検討が行われ、電子移動度が0.011cm2/Vs、オン/オフ比が103、しきい値電圧が4Vと高いn型有機半導体特性を示し、かつ大気耐性を有することが示された(非特許文献5参照)。
しかしながら、DM−DCNQIは低溶解性かつ高結晶性であることから、塗布プロセスによる薄膜形成は困難であった。その結果、真空蒸着プロセスによる薄膜形成が必要であり、低コスト化の点で問題があった。
1.下記式(A)で示されるジシアノキノンジイミン化合物からなる有機半導体と溶媒とを含む有機薄膜トランジスタ用膜形成用組成物、
2.R1及びR2が、それぞれ独立に炭素数5〜8の直鎖状、分岐状又は環状アルキル基である1の有機薄膜トランジスタ用膜形成用組成物、
3.R1及びR2が、n−ヘキシル基である2の有機薄膜トランジスタ用膜形成用組成物、
4.前記溶媒が、テトラヒドロフラン、ジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、トルエン、キシレン、クロロベンゼン、o−ジクロロベンゼン及びアセトニトリルから選ばれる少なくとも1種である1〜3のいずれかの有機薄膜トランジスタ用膜形成用組成物、
5.1〜4のいずれかの有機薄膜トランジスタ用膜形成用組成物から作製される有機薄膜トランジスタ用薄膜、
6.塗布法によって作製される5の有機薄膜トランジスタ用薄膜、
7.膜厚が、1nm〜10μmである5又は6の有機薄膜トランジスタ用薄膜、
8.5〜7のいずれかの有機薄膜トランジスタ用薄膜を備える有機薄膜トランジスタ、
9.5〜7のいずれかの有機薄膜トランジスタ用薄膜を含む有機半導体層と、この有機半導体層にゲート絶縁層を介して積層されたゲート電極と、上記有機半導体層を介して対向配置されたソース電極及びドレイン電極とを有する8の有機薄膜トランジスタ
を提供する。
適切な1価炭化水素基によって発現する分子間の静電相互作用により、一次元方向に良好なπ−πスタック構造が形成されて高移動度特性が発現する。さらなる1価炭化水素基の精査によって二次元以上の方向への電荷移動も可能となり、移動度特性はさらに向上する。
本発明の有機半導体は、高溶解性、高移動度特性及び高い大気耐性という、塗布法で用いられる半導体に必須の性質を有しているため、有機薄膜トランジスタと同様に薄膜状の有機半導体を用いて作製されるデバイスである、有機薄膜太陽電池、色素増感太陽電池、有機エレクトロルミネッセンス素子等の材料としても好適に用いることができる。
なお、本明細書中、「n−」はノルマルを、「i−」はイソを、「s−」はセカンダリーを、「t−」はターシャリーを、「c−」はシクロを、「o−」はオルトを、「m−」はメタを、「p−」はパラを意味する。
具体的には、例えば、下記スキームに示される一連の反応にて製造することができるが、これに限定されるものではない。
即ち、上記有機半導体と溶媒とを含む膜形成用組成物を、キャスト法、ディップ法、スピンコート法等の塗布法によって塗布した後、加熱して溶媒を除去することによっても薄膜を形成することができる。なお、上記膜形成用組成物は、有機半導体を溶媒に溶解した溶液であっても、上記有機半導体を溶媒に分散した分散液であってもよい。
特に、得られた薄膜を用いた半導体素子のしきい値電圧を下げ、オン/オフ比を下げることを考慮すると、テトラヒドロフラン、ジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、トルエン、キシレン、クロロベンゼン、o−ジクロロベンゼン、アセトニトリル等が好ましい。
また、この場合、上記膜形成用組成物中の固形分の濃度は、特に限定されないが、5〜30mg/mLが好ましく、10〜20mg/mLがより好ましい。
上記有機半導体を含む薄膜の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは1nm〜10μm程度、より好ましくは10〜500nm程度である。
電界効果トランジスタは、一般的に、基板と、有機半導体層と、この有機半導体層にゲート絶縁層を介して積層されたゲート電極と、有機半導体層を介して対向配置されたソース電極及びドレイン電極とを備えて構成されている。本発明においては、上記有機半導体層として、上述したジシアノキノンジイミン化合物を含む有機半導体薄膜を用いる。
電界効果トランジスタの形態は特に限定されるものではなく、ボトムゲート・ボトムコンタクト型、ボトムゲート・トップコンタクト型、トップゲート・ボトムコンタクト型のいずれの形態を用いてもよく、それぞれの形態に応じて上記ゲート電極、ゲート絶縁層、ソース電極、ドレイン電極及び有機半導体層を適宜配置すればよい。
ゲート電極を構成する材料としては、例えば、pドープシリコン、nドープシリコン、インジウム・錫酸化物(ITO)、ドーピングしたポリチオフェンやポリアニリン系等の導電性高分子、金,銀,白金,クロム等の金属等が挙げられる。
ゲート絶縁層を構成する材料としては、例えば、酸化シリコン,窒化シリコン,酸化アルミニウム,窒化アルミニウム,酸化タンタル等の無機化合物、ポリビニルアルコール,ポリビニルフェノール,ポリメチルメタクリレート,シアノエチルプルラン等の有機化合物等が挙げられる。
なお、有機半導体層には、本発明のジシアノキノンジイミン化合物に加え、例えば、フラーレン及びその誘導体や、フッ素やニトリル等の電子吸引基で置換された、ナフタレン、ナフタレンジイミド、アントラセン、テトラセン、ペリレン、ペリレンジイミド、ペンタセン、ピレン、コロネン、クリセン、デカシクレン、ビオランスレン等の多環芳香族分子及びこれらの誘導体、トリフェニレン、チオフェンオリゴマー、ポリチオフェン等の芳香環オリゴマー、ポリマー及びこれらの誘導体、フタロシアニン、テトラチアフルバレン、テトラチオテトラセン及びこれらの誘導体等の、電子欠乏性の有機半導体材料を適切な量で併用してもよい。
なお、以下において、EI−MSスペクトルは、ガスクロマトグラフ質量分析装置(QP−5000、(株)島津製作所製)を、IRスペクトルは、フーリエ変換赤外分光光度計(FTIR−8400S、(株)島津製作所製、KBrペレット法)を、1H−NMRスペクトルは、核磁気共鳴装置(JNM−AL300、日本電子(株)製、溶媒CDCl3、内標TMS)、サイクリックボルタンメトリーは、ヤナコ製VMA−010、X線回折は、薄膜材料結晶性解析用X線回折計(フィリップス製X'Pert−MPD−OEC PW3050)を用いて測定した。
DH−DCNQI(化合物(4))を下記スキームに従って合成した。
窒素雰囲気下で、蒸留したジエチルエーテル20mLに、マグネシウム0.48g(20mmol)を加え、更に1−ブロモヘキサン2.26g(13.7mmol)を滴下した後1時間還流し、Grignard試薬を作製した。窒素雰囲気下で、蒸留したジエチルエーテル15mLに、1,4−ジクロロ−2,5−ジメトキシベンゼン(1)1.04g(5mmol)と[1,3-bis(diphenylphosphino)propane]nickel(II) dichloride 30mgとを加え、Grignard試薬をゆっくり滴下した後、室温で80時間攪拌し、50℃程度で40時間攪拌した。室温まで冷却後、水5mL、2M塩酸3mLを加え、酢酸エチルで抽出後、得られた茶色固体をシリカゲルカラム(展開溶媒ヘキサン:ジクロロメタン=1:1(v/v))で精製し、白色固体状の化合物(2)を得た(収量1.41g、収率66%)。
[1]で合成した化合物(2)0.92g(3mmol)を、熱したアセトニトリル10mLに溶かし、水10mLに溶かしたcerium(IV) ammonium nitrate 3.63g(6.6mmol)を加え15分加熱攪拌した。ジクロロメタンで抽出後、得られた茶色固体をシリカゲルカラム(展開溶媒ヘキサン:ジクロロメタン=1:1(v/v))で精製し、黄色結晶の化合物(3)を得た(収量0.80g、収率94%)。
窒素雰囲気下で、ジクロロメタン50mLに、[2]で合成した化合物(3)0.552g(2mmol)を溶かし、TiCl4 1.90g(10mmol)、bis(trimethylsilyl)carbodiimide 4.65g(25mmol)を加えて室温で26時間攪拌後、氷冷した水を加えてジクロロメタンで抽出した。得られた茶色固体を、蒸留したアセトニトリルから再結晶し、針状の茶色結晶の化合物(4)を得た(収量0.32g、収率49%)。
融点:112℃
Mass(EI):m/z=324(M+)
1H−NMR(300MHz, CDCl3):δ 0.88−0.92(m,6H),1.25−1.56(m,16H),2.59−2.64(m,4H),7.25−7.26(s,2H)
IR(KBr):1545,2170,2928cm-1
実施例1で合成したDH−DCNQI及び市販のDM−DCNQI(Aldrich社製)を用いて、サイクリックボルタンメトリーによって酸化還元電位を測定し、電子受容性の評価を行った。
なお、Bu4NPF6/PhCN中、Ag/AgNO3参照電極でフェロセンを0.44 V vs. SCEとして補正し、測定値とした。
結果を表1に示す。
分子間のトランスファー積分の計算値を表2に示す。
300nmのSiO2膜をもつシリコン基板に、HMDS(hexamethyldisilazane)による自己集積膜(SAMs)化処理をしたうえ、金のソース電極、ドレイン電極を作製した。実施例1で合成したDH−DCNQIを濃度が10mg/mLになるようにCHCl3に溶解し、スピンコート法によって上記電極上に塗布した。その後大気中で、70℃のホットプレートで30〜60分間加熱処理して、有機半導体薄膜を形成し、ボトムゲート・ボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタを作製した。
なお、金電極の形成は、高真空状態のガラスチャンバー内に蒸着源と基板を対向するように設置し、蒸着源に充填した試料を基板上に堆積させる製膜手法で、蒸着器を用い、試料を入れたるつぼを抵抗加熱して、10-5Torr(約1.3×10-4Pa)の真空度で行った。
なおスピンコートは、6,000rpm、40〜60秒間回転で行い、チャンネル長は100μmとした。
CHCl3に代えてテトラヒドロフラン(THF)を用いた以外は実施例3と同じ方法によって、ボトムゲート・ボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタを作製した。
クロロホルム、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、ジメチルホルムアミドのそれぞれに対するDM−DCNQIの溶液化検討、及びスピンコート法による成膜検討を試みた。
DM−DCNQIが各溶媒に対して低溶解性であることから、10mg/mL以上の高濃度溶液は得られなかった。また、低濃度溶液を用いて成膜検討を行ったが、DM−DCNQIの高結晶性のために、均一な薄膜は形成できなかった。
ID=WCμ(VG−Vth)2/2L
(L:ゲート長、W:ゲート幅、C:絶縁層の単位面積当たりの静電容量、VG:ゲート電圧、Vth:しきい値電圧)
また、オン/オフ比は、最大及び最小ドレイン電流値(ID)の比より算出した。
結果を表3に示す。
Claims (9)
- 下記式(A)で示されるジシアノキノンジイミン化合物からなる有機半導体と溶媒とを含む有機薄膜トランジスタ用膜形成用組成物。
- R1及びR2が、それぞれ独立に炭素数5〜8の直鎖状、分岐状又は環状アルキル基である請求項1記載の有機薄膜トランジスタ用膜形成用組成物。
- R1及びR2が、n−ヘキシル基である請求項2記載の有機薄膜トランジスタ用膜形成用組成物。
- 前記溶媒が、テトラヒドロフラン、ジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、トルエン、キシレン、クロロベンゼン、o−ジクロロベンゼン及びアセトニトリルから選ばれる少なくとも1種である請求項1〜3のいずれか1項記載の有機薄膜トランジスタ用膜形成用組成物。
- 請求項1〜4のいずれか1項記載の有機薄膜トランジスタ用膜形成用組成物から作製される有機薄膜トランジスタ用薄膜。
- 塗布法によって作製される請求項5記載の有機薄膜トランジスタ用薄膜。
- 膜厚が、1nm〜10μmである請求項5又は6記載の有機薄膜トランジスタ用薄膜。
- 請求項5〜7のいずれか1項記載の有機薄膜トランジスタ用薄膜を備える有機薄膜トランジスタ。
- 請求項5〜7のいずれか1項記載の有機薄膜トランジスタ用薄膜を含む有機半導体層と、この有機半導体層にゲート絶縁層を介して積層されたゲート電極と、上記有機半導体層を介して対向配置されたソース電極及びドレイン電極とを有する請求項8記載の有機薄膜トランジスタ。
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